無人機傾斜航空攝影的技術(shù)特點及如何開展相應(yīng)的設(shè)計

傳統(tǒng)航空攝影均是垂直攝影，在拍攝瞬間相機主光軸垂直于目標物頂部，以方便獲取地面目標物頂部的影像信息，航攝成果多以制作正射影像圖為主要用途。但是因其不具備獲取建筑物側(cè)面紋理的能力，因此無法滿足實景三維影像圖的生產(chǎn)需要。與傳統(tǒng)垂直攝影的影像相比，傾斜影像相機主光軸與鉛垂線呈一定夾角，一次航空攝影既能獲取目標物頂部的信息，也能獲取建筑物側(cè)面的紋理信息，是制作高精度、高逼真、可量測三維實景影像的主要技術(shù)手段，具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，傾斜航空攝影技術(shù)已經(jīng)在國家基礎(chǔ)航空攝影項目中成功應(yīng)用，有關(guān)企業(yè)利用多款傾斜航空攝影裝備獲取了多個城市地區(qū)的傾斜航空影像。

現(xiàn)階段，由于缺乏傾斜航空攝影及成果質(zhì)量檢驗的相關(guān)標準，傾斜航空攝影技術(shù)設(shè)計、質(zhì)量檢驗主要參考框幅式航空攝影的相關(guān)規(guī)范，不僅無法體現(xiàn)傾斜航空攝影的技術(shù)特點，而且有些重要的技術(shù)指標兩者有著很大區(qū)別，不能替代。因此，如何開展傾斜航空攝影技術(shù)設(shè)計，如何檢查傾斜航空攝影影像質(zhì)量，如何進行傾斜影像的資料整理，成為當前急需解決的問題。

本文針對傾斜航空攝影的技術(shù)特點，以5鏡頭傾斜航空攝影為例，深入分析傾斜航空攝影數(shù)碼相機的有關(guān)問題，闡述傾斜航空攝影技術(shù)設(shè)計，重點分析傾斜航空影像質(zhì)量檢查的內(nèi)容與指標要求，并提出傾斜航空影像資料整理的建議。

傾斜航空攝影數(shù)碼相機的有關(guān)問題

1 數(shù)碼相機相對位置

傾斜航攝儀集成一個下視相機和多個傾斜相機，中央一個垂直對地觀測，獲取垂直影像，于該相機4個正交方位分別以一定的傾角放置一個相機。

由于傾斜航攝儀拍攝模式的特殊性，相機間的相對關(guān)系對于地物覆蓋范圍、傾斜影像分辨率變化范圍、相鄰曝光點影像重疊度、集成系統(tǒng)空間尺寸乃至后續(xù)數(shù)據(jù)處理算法都會產(chǎn)生影響，因此確定相機間排布模式是首要解決的問題之一。針對多種排布可能，通過對地物覆蓋范圍、傾斜影像分辨率等因素進行計算與仿真，確定較優(yōu)的排布模式為下視影像長邊跨航線、前視、后視影像長邊跨航線、左視、右視影像短邊跨航線。5相機觀測視野如圖1所示。

相機傾角指傾斜放置相機主光軸與垂直放置相機主光軸在它們所確定的平面內(nèi)所形成的夾角。根據(jù)經(jīng)驗及模擬測試，當傾角在40°~50°之間時，所獲得的影像更接近人眼對立面紋理信息的真實視覺體驗，此范圍角度一般為攝影測量大傾角范圍。

2 相機安裝傾角、視場角與分辨率的關(guān)系

垂直和傾斜影像的地面分辨率是傾斜航攝儀最為直觀與重要的參數(shù)之一，也是直接決定后續(xù)三維建模質(zhì)量的關(guān)鍵因素。傾斜影像自動空三時，為了保證量測點的精度，應(yīng)盡量保證不同影像的分辨率一致，從而側(cè)視影像需要裁掉遠端和近端分辨率差異過大的部分，但同時為了保證影像的重疊度，航線設(shè)計時需要顧及側(cè)視影像的分辨率。因此需對垂直與傾斜視角的影像分辨率進行組合分析。

根據(jù)垂直影像GSD計算公式

結(jié)合傾斜相機主光軸旋轉(zhuǎn)角度，由圖2可以得出傾斜影像中心點、近地點與遠地點的大致分辨率。設(shè)傾斜影像中心點、近點和遠點分辨率分別為GSDmid、GSDtop、GSDbotton，計算公式如下

式中，δ為CCD單像元大小;h為飛行高度;f為相機焦距;αy為傾角;βy=arctan （b/f） 為視場角的一半。傾斜影像的幾何關(guān)系如圖2所示。

以SWDC-5相機為例，當傾角為45°，視場角為40°，βy=20°，f下視=50 mm，f側(cè)視=80 mm時，按照下視相機進行設(shè)計，當GSD=0.08 m時，H=666 m。

則側(cè)視相機的分辨率概算為

由此可見，除飛行高度、焦距、像素大小之外，傾角也是影響傾斜影像GSD的一個重要因素。傾角越小，其遠點的分辨率越高，近點、遠點GSD差異也就越小，GSD指標的控制也是影響傾角設(shè)計的一個關(guān)鍵因素。通常，獲取的傾斜影像與垂直影像中心點地面分辨率應(yīng)相當，傾斜影像的最小分辨率不宜超過垂直影像分辨率的3倍。

3 傾斜航攝相機的選擇

相機選擇是影像獲取的關(guān)鍵因素之一，決定了所獲取影像質(zhì)量的好壞 （如影像分辨率、成像的幾何精度等） 和攝影交會角的大小 （與相機視場角和攝影方式有關(guān)），將直接影響最終的量測精度。

如何搭配下視相機與傾斜相機的焦距，是影像獲取的另一個關(guān)鍵因素。目前，通?？蛇x用的相機焦距在50~120 mm之間。焦距較長的相機，視場角小，可以獲取更多的影像紋理;焦距較短的相機，視場角大，影像變形也越厲害。選擇組合相機焦距時，需要整體考慮下視相機焦距和側(cè)視相機焦距的組合選擇。

一般情況下，選擇下視相機的GSD應(yīng)與側(cè)視相機的GSDmid相當

式中，α為傾角。當傾角設(shè)置為45°時，一般情況下側(cè)視相機的焦距宜為下視相機焦距的1.4倍。因此，傾斜攝影時一般選用側(cè)視相機的焦距比下視相機的焦距要長。

4 平臺檢校

平臺檢校的過程是解算多視相機相對關(guān)系的過程，是獲取側(cè)視相機相對于下視相機攝影中心的相對位置關(guān)系。由于現(xiàn)有空三軟件處理大傾角影像比較困難，實際作業(yè)時可預(yù)先解算下視相機的外方位元素，通過獲知側(cè)視相機與下視相機的相對關(guān)系，從而推算側(cè)視相機影像的外方位元素。

以5鏡頭傾斜航攝儀為例，利用光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量的原理，從影像所覆蓋范圍內(nèi)若干控制點的已知地面坐標和相應(yīng)點的像點坐標出發(fā)，根據(jù)共線方程解求4個側(cè)視相機相對于下視相機的位置和姿態(tài)參數(shù)。

5 傾斜影像有效像幅

傾斜影像由于其大傾角特性，導致影像邊緣的分辨率較低，地物變形較大，不滿足使用要求，因此在實際處理過程中將會對其進行裁減，裁減后可用的像幅稱為傾斜影像有效像幅，有效像幅界定標準為影像內(nèi)GSD達到指標要求的影像范圍，并且在滿足航線設(shè)計要求下所有傾斜影像的有效像幅聯(lián)合起來能覆蓋到整個測區(qū)。有效像幅占傾斜影像原始像幅的比例越大則相機參數(shù)的設(shè)計越合理。

傾斜航空攝影技術(shù)設(shè)計

傾斜航空攝影技術(shù)設(shè)計在地面分辨率選擇、航高計算等方面沿用了框幅式數(shù)碼相機航空攝影的設(shè)計思路和內(nèi)容;在航攝時間選擇、航攝分區(qū)劃分、影像重疊度與航線敷設(shè)設(shè)計、分區(qū)覆蓋等方面，傾斜航空攝影與框幅式數(shù)碼航空攝影存在差異。

1 航攝時間選擇設(shè)計

傾斜航空攝影的對象通常是高層建筑密集的城市地區(qū)和高差較大的陡峭山區(qū)，因此航空攝影時需要特別注意太陽高度角及出現(xiàn)陰影，陰影太大會直接影響影像處理的效果。太陽高度角推算攝區(qū)的攝影時間參考公式為

式中，tθ為太陽時角，單位為 （°）;hθ為太陽高度角，單位為 （°）;δθ為攝影日期的太陽赤緯，單位為 （°）;φ為攝區(qū)的平均地理緯度，單位為 （°）;Tφ為攝區(qū)地方時，單位為時。

為便于后期影像判讀與處理，建議高差特大的陡峭山區(qū)或高層建筑物密集的大城市要求在正午前后1 h內(nèi)進行航空攝影，陰影倍數(shù)不大于1倍。

2 地面分辨率與航攝分區(qū)設(shè)計

傾斜航空攝影為了體現(xiàn)真實紋理的三維實景影像，多選擇建城區(qū)或有較大高差的區(qū)域作為攝區(qū)，具有航攝面積小、影像分辨率高的突出特點。一般情況下優(yōu)于0.2 m，最高甚至可達0.03 m。在地面分辨率選擇、航高選擇與劃分航攝分區(qū)時，應(yīng)當重點注意以下幾點：

（1） 利用下視影像進行標準測繪產(chǎn)品生產(chǎn)時，地面分辨率選擇需要嚴格遵循框幅式數(shù)字航空攝影規(guī)范的要求，1:500比例尺不超過8 cm，1:1000比例尺在8~10 cm之間，1:2000比例尺在15~20 cm之間;航攝時需要顧及地表高差影響，高差 （包含建筑物） 大于1/4相對航高時，建議分區(qū)進行航攝。如能確保航線在直線性的情況下，分區(qū)的跨度應(yīng)盡量劃大。

（2） 僅生產(chǎn)實景三維影像數(shù)據(jù)時，可根據(jù)三維影像的目視效果合理設(shè)置地面分辨率。由于高差影響，攝區(qū)內(nèi)最高點和最低點的分辨率、重疊度有較大變化。根據(jù)經(jīng)驗，在滿足最高點重疊度的前提下，最高點、最低點與基準面分辨率不超過1.5倍為宜。如果超過1.5倍，建議分區(qū)進行航攝。

3 影像重疊度與航線敷設(shè)設(shè)計

在建筑物密集的城市地區(qū)傾斜攝影獲取的影像存在嚴重的地物遮擋現(xiàn)象，為了獲取全方位無信息盲點的傾斜影像，同時也為了多視影像的整體平差效果，應(yīng)采取大重疊的影像獲取方式。影像重疊度以下視相機為基礎(chǔ)，與垂直攝影重疊度設(shè)計不同，傾斜航攝下視相機的航向重疊度一般不小于70%，也不宜過大，以80%以內(nèi)為宜;旁向重疊度建議在50%~80%之間，可與航向重疊度相同。

4 分區(qū)覆蓋設(shè)計

根據(jù)側(cè)視相機傾斜角度和視場角的關(guān)系，航向和旁向覆蓋超區(qū)分區(qū)邊界線理論值計算公式為

式中，P為航向或旁向重疊度;θ為傾角;β為視場角。

在實際飛行中，由于大氣等各因素的影響，航向或旁向覆蓋超出邊界線的實際值一般按照基線數(shù)=理論值+2、航線數(shù)=理論值+1進行計算。

當傾斜角為45°，視場角為40°、52°，航向和旁向重疊度均設(shè)計為70%時，超區(qū)分區(qū)邊界線的理論值計算為5和4，即航攝時航帶內(nèi)超出7條基線，攝區(qū)范圍外側(cè)需要超出5條航線。

5 檢校場航攝設(shè)計

在IMU/DGPS輔助航空攝影測量時，需要借助飛行檢校場的方法實現(xiàn)慣性坐標系下的直接測量數(shù)據(jù) （位置數(shù)據(jù)X、Y、Z和姿態(tài)數(shù)據(jù)pitch、roll、yaw） 到攝影測量坐標系下的精確外方位元素位置數(shù)據(jù) （X′，Y′，Z′） 和姿態(tài)數(shù)據(jù) （φ，ω，κ） 的轉(zhuǎn)換，以獲得高精度的像片外方位元素，從而實現(xiàn)無或極少地面控制的航片定向和測圖。

檢校場區(qū)域選擇應(yīng)考慮以下因素：一是地勢盡量平坦;二是盡量避開水域范圍;三是盡量避免大面積植被覆蓋;四是盡量避免有特大密集型建筑群。

以RCD30傾斜數(shù)碼航攝儀為例，航線敷設(shè)時，可采取井字形飛行方案。每條航線均十字交叉來回飛行1次，共計8條航線。設(shè)計航高可與分區(qū)作業(yè)高度相同，可設(shè)置航向和旁向重疊80%以上。傾斜航空攝影平臺檢校飛行示意圖如圖3所示。

此外，采用其他傾斜航攝儀執(zhí)行時，若攝區(qū)航向和旁向重疊均不小于80%，可挑選2~3條正常航線的航片作為檢校場飛行航線。

傾斜航空影像成果質(zhì)量檢查要求

1 影像重疊度檢查

由于傾斜航空影像采取多視匹配的算法進行空三加密處理，要求影像重疊度大才能匹配更多的同名點。一般情況下，傾斜攝影時下視相機的影像設(shè)計航向重疊度應(yīng)不小于70%，但航向重疊度也不宜過大，如果重疊過大，一方面會造成攝影基線變得更短，不僅影響測圖精度也會降低效率，另一方面基線變短會增加影像旋偏角超限的可能，一般在70%~80%之間為宜;下視影像旁向重疊度一般應(yīng)設(shè)計為50%~80%，最低不低于30%;側(cè)視影像航向重疊度不低于53%。

2 影像傾斜角檢查

依據(jù)機載POS數(shù)據(jù)檢查下視相機的傾斜角度。由于下視相機是垂直攝影，影像傾斜角按照現(xiàn)有大比例尺航空攝影規(guī)范執(zhí)行，即一般不大于2°，若下視影像需進行測圖處理時最大不應(yīng)超過4°。

3 影像旋偏角檢查

傾斜航空影像由于重疊度大，基線短，飛機姿態(tài)稍有變化即可能導致旋偏角超限。按照成圖要求，下視相機的像片旋偏角一般不大于25°。根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗，在只建模不測圖的情況下，旋偏角不大于35°或抽片后旋偏角最大不大于25°即可，但需確保像片航向和旁向重疊度滿足要求。

4 攝區(qū)、分區(qū)覆蓋保證檢查

傾斜攝影為了保證攝區(qū)外側(cè)也能獲取影像，攝區(qū)邊界覆蓋較垂直攝影大。按照2.4節(jié)公式計算分區(qū)覆蓋超出邊界線的基線數(shù)和航線數(shù)的理論值與實際值。實際航攝過程中，一般可在航線旁向方向測區(qū)邊界范圍外增加4~5條航線，以保證左視和右視鏡頭影像均覆蓋全測區(qū)范圍;在航線航向方向測區(qū)邊界范圍外，每條航線延長1.5 km以上，以保證前視和后視鏡頭影像均能覆蓋全測區(qū)范圍。

5 航線彎曲度與航高保持檢查

攝區(qū)航線彎曲度可依照框幅式數(shù)字航空攝影規(guī)范執(zhí)行，航線彎曲度一般不大于1%，當航線長度小于5000 m時，航線彎曲度最大不大于3%。由于傾斜航空攝影的航高一般小于1000 m，因此在航高保持方面要求同一航線上相鄰像片的航高差不大于30 m，最大航高與最小航高之差不大于50 m，分區(qū)內(nèi)實際航高與設(shè)計航高之差不大于50 m。

6 影像質(zhì)量檢查

影像質(zhì)量檢查與傳統(tǒng)垂直攝影的要求一致，除云、云影、煙、霧、反光等檢查項外，還需檢查影像像點位移，確保在曝光瞬間造成的像點位移不大于1個像素。

傾斜航空影像的數(shù)據(jù)整理

傾斜航空影像的數(shù)據(jù)整理與《數(shù)字航空攝影規(guī)范第1部分：框幅式數(shù)字航空攝影》中7.1中關(guān)于文檔資料整理的要求有所不同，傾斜攝影有多個相機，因此在相機相對位置關(guān)系、像片數(shù)據(jù)編號、文件存儲及激光打印輸出等部分存在差異。

1 相機相對關(guān)系說明

針對多鏡頭傾斜航空攝影，提交資料時需增加相機相對關(guān)系的說明文件。以5鏡頭為例，表示了傾斜數(shù)字航攝儀各子相機的相對位置關(guān)系，同時影像上方采用箭頭標明與飛行方向的關(guān)系。相機相對關(guān)系說明如圖4所示。

2 數(shù)據(jù)命名

下視影像可按照國家基礎(chǔ)航空攝影資料整理的規(guī)則命名。側(cè)視影像命名時需參照飛行方向，將4鏡頭分別命名為國家基礎(chǔ)航空攝影資料整理12位+1位，最后一位定義相機相對于垂直相機的位置，如沿飛行方向，下視相機前的影像的最后一位編號為F （front），下視相機后、左、右側(cè)的影像的最后一位編號分別為B （back）、L （left） 和R （right）。傾斜影像命名如圖5所示。

（1） 一般以飛行方向為編號的增長方向。

（2） 同一航線內(nèi)的影像編號不允許重復(fù)。

（3） 由于傾斜攝影面積較小，單條航線長度一般不長，像片數(shù)一般不會超過1000張，因此影像編號采用流水號3位數(shù)字，當有補飛航線時，補飛航線的影像流水號在原流水號基礎(chǔ)上加500。

3 文件存儲

5鏡頭獲取的影像分為5個文件夾分別存儲。每個文件夾命名時，在原有基礎(chǔ)上+字母 （L （左）、R （右）、F （前）、B （后））。

4 激光打印輸出

根據(jù)國家航空遙感影像獲取成果資料整理的有關(guān)要求，為了便于數(shù)據(jù)檢查和滿足歸檔需要，下視影像需要激光打印輸出成紙質(zhì)相片。與傳統(tǒng)垂直攝影相比，傾斜攝影由于分辨率高、重疊度大，造成相片數(shù)量驟增。如面積為100 km2的攝區(qū)，但下視相機的影像數(shù)量就可能超過12000張。如此大量的相片給檢查、歸檔造成一定的困難。

由于傾斜航攝時旁向重疊度設(shè)計較大，隔航線的重疊度也至少大于20%。因此，在下視相片激光打印輸出時可采取隔航線輸出的方式，即抽航線進行打印輸出，但不建議航線內(nèi)抽片輸出。

結(jié) 語

通過理論分析，結(jié)合實際作業(yè)經(jīng)驗，可以得出以下結(jié)論：

（1） 建議在情況允許時，側(cè)視相機選用焦距較長的相機，減小視場角，以獲取更多的影像紋理。

（2） 與垂直攝影相比，傾斜航空攝影影像重疊度可適當放寬要求，如規(guī)定重疊度要求在70%~75%之間，但最小不小于53%，能夠保證下視影像進行空三即可。

（3） 由于傾斜攝影基線短，飛機姿態(tài)不穩(wěn)定，易造成旋偏角超限，在檢查傾斜影像旋偏角時可適當放寬要求。根據(jù)有關(guān)試驗結(jié)果，在僅生產(chǎn)實景三維影像不測圖時，可放寬至35°或抽片后達到垂直航空攝影質(zhì)檢要求即可。

（4） 經(jīng)過實際生產(chǎn)建模試驗得知，傾斜攝影時，下視影像只要不出現(xiàn)相對漏洞，滿足正?？杖用芤螅瑐?cè)視影像只要沒有飛行漏洞，能夠提取影像紋理，都可以呈現(xiàn)立體景觀模型和實地的3D影像圖。但如果要求成果精度高，則建議分辨率、重疊度、旋偏角等核心技術(shù)指標要保守設(shè)計，飛行時需更加嚴格地執(zhí)行規(guī)范要求。

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